高立新
(設備維修智能醫院)
摘 要：高爐爐頂氣密箱是典型的低速重載設備，雖然其額定壽命是10年，但由于負載、爐溫、操作、制造和維修等多種因素的影響，仍偶爾發生軸承破碎、螺栓斷裂、尤其是回轉輪系的大型支承卡死等故障，造成電機電流過高、氣密箱無法正常運行、高爐被迫休風停產的嚴重后果。因此，必須在高爐爐頂齒輪箱的振動監測中提高其智能化水平，以自動實時的獲得報警信息，再通過大數據分析和故障診斷掌握其運行狀態，進行及時的有針對性的維修，保證高爐爐頂氣密箱正產運行。
關鍵詞：爐頂氣密箱；振動；智能監測；實時報警
0 引言
高爐是煉鐵廠的核心設備，而爐頂氣密箱是罐式爐頂的心臟設備, 其布料方式靈活，布料器齒輪箱齒輪傳動系統相當復雜，其回轉支承、軸承、齒輪和螺栓等又是易發生故障的關鍵部件，圖1是大型回轉支承卡死故障, 造成高爐休風停產數天，因此，必須采用先進的監測診斷技術，防患于未然。
圖1 某爐頂氣密箱回轉支承嚴重損毀
進入鋼鐵企業智能制造時代后，為了降低在爐頂煤氣環境下人工檢測的風險，實時準確的掌握氣密箱傳動鏈運行狀況，必須安裝以振動為主、電流、溫度、潤滑材料為輔的監測系統，認為這類系統可有可無的觀念是錯誤的，這種觀念會導致企業無法實現智能制造。
1 系統主要硬件及功能
系統主要由無線傳感器、轉速模塊、路由器（現場通信采集管理軟件)、點檢儀、服務器（本地和遠程的監測分析系統） 等部分組成，見圖2。
圖2 煉鐵高爐氣密箱振動智能監測
1.1 無線振動傳感器進行信號采集
圖3 無線振動溫度復合傳感器
圖4 無線采集路由器
抗干擾能力強的無線振動溫度復合傳感器（圖3）具有如下特點：
（1）無須在現場鋪敷連接傳感器的電源和信號纜線，降低了成本。
（2）自備電池給傳感器供電，避免了傳感器供電電源線路的干擾。
（3）傳感器的內部電路與傳感器外殼完全隔離，數據采集部分內裝在傳感器殼體里，輸出數字信號，而數字信號傳輸過程中不會變化。
（4）藍牙（Bluetooth）通信在數據傳輸時候有數據校驗機制，確保數據準確傳送給無線采集路由器。
1.2 無線采集路由器進行數據傳遞、顯示和分析
圖4所示的路由器有藍牙無線通信接口，它不僅可與無線傳感器通信，也可連接其他使用藍牙接口的物聯設備，實現更多維度的設備狀態信息監測。該路由器的蜂窩網絡接口和WIFI接口使其具備較強的網絡適應能力，能夠通過3G/4G或WIFI聯網將數據上傳到服務器上。此外，該路由器還可以就地進行數據存儲（包括原始波形數據、FFT頻譜等），具有完善的就地分析工具，包括柱狀圖、波形圖、多種特征值等，具備完整的頻譜分析能力。無線采集路由器周期性地接收振動傳感器采集的信號，通過局域網或4G SIM 卡，將數據上傳到服務器。基于安卓平臺，內置現場通信采集管理App，具備自動采集和現場分析功能。
以上硬件裝置保證了系統具有遠程分析和報警功能。
1.3 遠程監測分析系統實現智能監測
為了使專業人員及時掌握氣密箱運行狀態，遠程監測分析系統可以實時時將故障信息顯示在Web PC端和Web移動端（手機等），在故障信息里，有零部件型號、元件名稱、測量值、報警級別(危險、報警)和采樣時間等（圖5）。
有了以上信息，再結合峰值、有效值、峭度等參數的趨勢圖，尤其是頻譜圖，就可以較容易的判斷有故障隱患的零部件了。
圖5 實時顯示故障信息
1.4 應用實例
無線振動溫度監測系統于2020年5月投入使用，隨即對高爐爐頂氣密箱采集到的數據進行了分析，2020-06-03 18:25:33上部齒輪箱振動信號時域圖如圖6所示。
圖6 上部齒輪箱振動信號時域圖
出現25.39 Hz及其諧波50.78 Hz，還有950.2 Hz，975.59 Hz，這是旋轉傳動鏈I軸的松動特征；出現 228.52 Hz，這是22209CC的滾動體過內圈頻率Fi，這表明旋轉傳動鏈I軸的22209CC軸承磨損，由于軸承內圈磨損，導致旋轉傳動鏈I軸晃動。
據此，廠里加強了監測，并提前做好檢修和備件等準備。
2 一種低速重載設備的監測診斷方法
高爐爐頂氣密箱屬于低速重載設備，其特點是：承載量大、工作轉速低、運行中承受較大的沖擊載荷，早期故障信息特征微弱，環境噪聲大，其中部分設備旋轉周期不完全、運行工況呈典型的間歇性。該類設備一旦突發故障，將給企業帶來巨大的經濟損失和惡劣的社會影響。
低速重載設備的常見故障有：齒輪齒面磨損、點蝕、剝落、齒面鱗皺、輪齒燒結；斷齒故障；回轉支承零部件點蝕、滾動體破碎、保持架斷裂；滾動軸承零部件磨損、點蝕、滾動體破碎和內外圈斷裂等；齒輪箱螺栓拉斷、螺栓松動等。
低速設備監測主要困難有3點：①低速設備故障特征難提取。由于低速設備本身的特點，其零部件隱患從開始發展到故障會有較長的時間。但是在突發故障前的最后幾天，從微微有些感覺機器異常到突發故障，往往只有幾天，這種五官感覺如果沒有專用儀器做支撐，現場人員幾乎無法準確判斷并作出停機的決定，這種情況類似于人類的猝死；②低速重載機器在設計時，通常安全裕度大，使機器不易損壞，所以，故障次數較少；③由于前2個原因，造成故障數據少。這使得現場檢測診斷人員普遍畏懼低速設備檢測診斷。
為了解決以上困難，廠里采取長期與專業團隊長期合作的方式，積累故障數據，積極尋找低速重載設備監測診斷方法。總結了一套高爐爐頂齒輪箱振動信號“間接診斷法”，即：下級傳動鏈低速零部件故障會引起上級傳動鏈高速零部件傳動不穩定，在上部齒輪箱高速部分測點采集到的數據中也會出現低速零部件故障特征頻率。簡單的描述就是：大型回轉支承或傾動機構出現故障時，在II軸的兩個齒輪嚙合頻率上通常會反映出來。
2014年7月29日，廠里對5號、6號高爐氣密箱用離線儀器做了第一次測試；事隔一年后，在2015年8月7日做了第二次測試；并在2016年9月2日做了第三次測試，發現5號高爐振動頻譜圖出現133.85 Hz，并且18.5 Hz處存在諧波時的幅值比前兩次上升了10多倍，由間接診斷法可知：吊掛大齒圈嚙合不好，回轉支承有故障隱患，并且隱患逐漸嚴重，及時檢修排除隱患后設備恢復正常運行。
3 結束語
以上實例說明，振動智能監測系統可以有效保障高爐氣密箱正常運行，是煉鐵廠實現智能運維的措施之一。
（1）性價比高的無線振動數據采集系統是保證數據可靠的基礎。
（2）“簡接診斷法”可以較為方便的判斷低速重載設備故障隱患。
（3）堅持對鐵廠氣密箱等大型關鍵設備進行長期監測診斷可以實現經濟維修。
參考文獻
［1］ 周火青，張玉奎，周金旭，龍學均.高爐并罐無鐘爐頂料罐設備故障狀態下的應急操作［J］.設備管理與維修，2011（9）：17-18.
［2］ 董英斌，高立新，孫勤剛，呂衛陽.高爐爐頂大型齒輪箱監測診斷系統［J］.北京科技大學學報，2000， 22（3）：278-280.
說明：本項目研究應用的成功，是中鋼集團西安重機有限公司多年支持科技創新的結果，得到了寶武集團鄂城鋼鐵有限公司、北極尼雅科技公司和北京博普榮泰科技發展有限公司等單位的大力支持，在此深表感謝！